抽出式通风矿井外部漏风率的正确测算法.pdf

抽出式通风矿井外部漏风率的正确测算法 倪文耀 副教授 华北科技学院安全科学与技术研究所 学科分类与代码62015040 【摘 要】 详细分析了煤矿长期以来沿用的,基于理想气体风流连续性方程的近似方法计算矿井外部漏风 率所带来的缺陷。以热力学基本原理为依据,将回风井看作是矿井通风系统中的一条特殊巷道,指出其风流中的 空气不能看作理想气体,推导出了测算矿井外部漏风率的正确方法。并以实测数据为例,运用MATALAB方法求得 了矿井外部漏风率的精确解,给出了传统近似方法的误差,指出了在有较深回风井的矿井通风系统中,运用正确方 法测算其外部漏风率的重要性。笔者介绍的矿井外部漏风率的精确测算方法,可在采用抽出式机械通风的矿井推 广应用。 【关键词】 抽出式通风;外部漏风率;正确测算 Accurate Calculation of Exterior Leakage of Exhausting Ventilator in Mine Pit NI Wen2yao, Assoc. Prof. Institute of Safety Science Qt 主要通风机抽风量,m3/ min; Q1 矿井总回风量,m3/ min。 由于在主要通风机的出风口或进风口的风流相对稳定 处,比较容易直接测定Qt,所以正确测算外部漏风率的关键 是必须首先正确地测算出Q1。 矿井通风工程中,对于井下巷道,由于风流温度、 压力的 变化都不大,故空气密度变化也很小。根据流体力学的风流 连续性方程,将矿内空气近似看作是不可压缩的理想流体, 即认为对于任意一段巷道,流入巷道的风量与流出巷道的风 量是相等的。用该思路去指导矿井通风工程的设计和计算, 其误差是可以接受的。 但是对于深度较大的回风井,由于其上、 下两端的风流 状态变化较大见图1 , 所以其风流就不能视为理想气体。 在这里,流体力学中的风流连续性方程不能成立,即Q1≠ Q2。必须将回风井看作是矿井通风系统中与井下其他所有 巷道不同的一条特殊巷道。事实上,考虑到在回风井中的风 流流动是一个热力变化过程,所以应根据热力学的基本原理 来考察其状态参数的变化。 由于空气从井下总回风道至风井上口与外界无热量交 换,所以可看作是一个绝热膨胀过程,有以下方程成立 Q1/ Q2 T1/ T2 1- n 2 式中, Q2 回风井下口的风量,即井下总回风量,m3/ s; T1 回风井上口空气温度,K; T2 回风井下口空气温度,K; n 绝热指数,矿井空气属双原子气体,取1.4。 绝热过程中,由于空气从回风井下口的状态2至回风井 上口的状态1与外界没有热量交换,所以系统内部的热量变 化主要是由位能及动能变化引起的,又考虑到回风井内的风 流可看作是热力学中的稳定流,所以由热力学第一定律可得 简化后的能量方程 Cp T 1- T2 0.5 v 2 1-v22 - gh 03 式中, Cp 空气的定压比热,为1 004.5J/ kgK ; v1, v2 分别为1,2两点的空气流速,m/ s; g 重力加速度,取9.81 m/ s2; h 回风井的垂深,m。 式3中,动能变化项可转化为 hv0.5 Q 2 1-Q22 / S 2 4 式中, hv 动能的变化; S 回风井的断面积,m2。 将式2代入4 , 然后将式4代入3并化简得 2CpS2T1- Q22T2n- 2 2 T2- 2n 1 Q222ghS2-2CpT2S205 对于不同的矿井,式5中T2, Q2可在井下实测得到, S , h为已知的回风井基础数据, Cp, g , n等为已知参数,所 以可将上述各数据代入式5 , 即可得到T1的解,继而即可 得到Q1的解,最后将Q1, Qt代入式1就得外部漏风率的 真实解。对于已建立了集中式安全监控系统的矿井, T2, Q2, Qt等动态数据可由监控系统的控制室直接采集,这样可 以很方便地利用上述有关公式及时求得其外部漏风率的精 确值。 2.2 举例分析 2.2.1 外部漏风率的精确计算 笔者在徐州矿务集团权台煤矿东风井投入运行时,考察 了其外部漏风率。该风井为无提升设备井,其井筒深 h 621.46 m、直 径d 5.0 m即 断 面 积Sπd2/4 19.625 m2。 根据实测,回风井下口的井下总回风道2点处,空气温 度T2 23℃ 296.15 K,回风量Q2 86.52 m3/ s;同时测得主 要通风机回风量Qt 92.61 m3/ s。 将T2, Q2, h , g , S , Cp, n等数据代入式5 , 经化简 可得 T1-18.016T- 0.8 1 -289.8906 对式6用MAT LAB方 法 解 算 得 到T1的 解 为T1 290.083 K。 再将T1, T2, Q2, n代入式2可得Q1 91.11 m3/ s。 最后将Q1, Qt代入式1就得外部漏风率C的精确解 为C 1.62。 2.2.2 误差分析 常用的近似方法计算外部漏风率C′ 的公式为 C′ Qt- Q2 / Q t100 7 对于权台矿东风井,将Qt, Q2代入式7可求得其主要 通风机的外部漏风率近似为C′ 6.58。 用近似方法计算外部漏风率与精确解法相比带来的误 差为6.58- 1.62/6.5875.38。 可见在深井回风系统中,近似方法的误差相当大。从权 台煤矿的实际情况看,用精确方法测算出的外部漏风率C 5,不符合 煤矿安全规程 规定,将得出其主要通 风机安装质量不合格,不能投入运行的错误结论。因此,在回 风井较深的情况下,不可用近似方法测算外部漏风率。 3 结 论 1回风井是矿井通风系统中的一条特殊巷道,其空气 流动不遵循流体力学中理想气体的风流连续性方程,而应按 热力学中基于稳定流动的绝热变化过程,建立相应的状态 方程。 2矿井外部漏风率是考察矿井通风系统是否合理可 靠的一个重要指标。煤矿现场常用的传统近似方法在较深 的回风井系统中,由于回风井上、 下口的空气状态变化较大, 将带来较大的误差,用其考察矿井通风系统将导致错误的结 论,因而必须摒弃。 3基于热力学基本原理的外部漏风率的精确测算方 法,克服了传统近似方法的误差,是一种科学、 简单、 易操作 的方法,值得在采用机械通风的矿山推广应用。 收稿2003年10月;作者地址北京东燕郊206信箱;华北科技学院安全科学与技术研究所;邮编101601 参 考 文 献 1 邵辉,代广龙,张国枢. SF6- CF2ClBr双元示踪气体检测复杂采空区漏风技术[J ].煤炭科学技术,1998 ,264 1～4 2 王海桥.示踪气体测量理论在矿井通风中的应用[J ].工业安全与防尘,2000 ,2 11～13 3 丁国玺.工程热力学及传热学[M].北京.煤炭工业出版社,1986 4 [美]C.J.霍尔.矿井通风工程[M].侯运广,贺敦良,刘冠姝等译.北京煤炭工业出版社,1988 中国安全科学 编辑部推荐论文获 第一届中国科协期刊优秀学术论文奖 为促进我国学科发展、 科技进步、 人才成长,充分调动科技人员的积极性,进一步提高学术论文质量,2003年 中国科协举办了第一届优秀学术论文评选活动。该活动,根据 第一届中国科协期刊优秀论文评选活动的通知 科协学发[2003]008号精神,经推荐,初审、 审定等程序,共评出99篇优秀学术论文,关于第一届中国科协期刊优 秀论文获奖名单的通知科协办发学字[2003]57号已予公布,同时在网上公示,未有异议。中国科协对99篇获奖 论文及推荐编辑部和学会进行了表彰,以资鼓励。 29 中国安全科学学报 ChinaSafetyScienceJournal 第14卷 2004年